CN104617662B - 带无线通信和计量功能的智能漏电保护器及其控制工序 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带无线通信和计量功能的智能漏电保护器及其控制工序，所述智能漏电保护器包括供电电源、单片机、数据存储器、无线通信模块、电压和电流采样部分、拉闸控制部分以及断路器部分，其中数据存储器、无线通信模块和单片机双向连接，电压和电流采样部分、拉闸控制部分和单片机单向连接，断路器部分和拉闸控制部分连接；所述控制工序包括地址申请/注册工序、用电量信息收集工序和用户控制工序；本发明通过智能断路器作为电力线分路上的保护设备，测量每条支路的电量信息，同时通过智能漏电保护器这个主线控制器，接收来自智能断路器的之路信息，将信息汇总通过智能网关发送给终端设备，实现家庭化、小范围化的电力线信息监控。

Description

带无线通信和计量功能的智能漏电保护器及其控制工序

技术领域

本发明涉及一种带无线通信和计量功能的智能漏电保护器及其控制工序，属于电力管控技术领域。

背景技术

自从人类发明并使用电以来，电不仅能给人类带来了很多方便，也能给人类带来灭顶之灾。它可能烧坏电器，引起火灾，或者使人触电。如果有一种设备可以使人们安全地使用电，将会避免很多不必要的损失。所以在五花八门的电器接踵而来的同时，也诞生了各式各样的保护器。其中有一种是专门保护人的，称为漏电保护器。漏电保护器俗称漏电开关，是用于在电路或电器绝缘受损发生对地短路时防人身触电和电气火灾的保护电器，一般安装于每户配电箱的插座回路上和全楼总配电箱的电源进线上，后者专用于防电气火灾。

普通的漏电保护继电器由零序互感器、脱扣器和输出信号的辅助接点组成。它可与大电流的自动开关配合，作为低压电网的总保护或主干路的漏电、接地或绝缘监视保护。当主回路有漏电流时，由于辅助接点和主回路开关的分离脱扣器串联成一回路，因此辅助接点接通分离脱扣器而断开空气开关、交流接触器等，使其掉闸，切断主回路。辅助接点也可以接通声、光信号装置，发出漏电报警信号，反映线路的绝缘状况。

节能减排越来越得到全社会的重视，人们对家庭用电情况也更加关注，但对于一些用电器的实际电量消耗却了解得并不多，而现在家庭中大部分供电线路采用分路接线，例如：插座、照明、厨房、空调、热水器等均有独立的空气开关，而且这些分路开关之前还有一个总的漏电保护器，保障用电安全。对家庭中各种用电器的用电情况可通过这些分路空气开关和漏电保护器进行计量，再通过某种通信方式传递至用户的手机或平板电脑上，但目前的空气开关和漏电保护期均不具有这些功能，无法实现用户对家用电器用电情况的监督。

现有的用电控制技术上，以采用传统的漏电保护器或者过载、过流保护器来控制电路的安全为主，在物联网发展的基础上，不断衍生出一些具备智能控制的微型断路器，可以通过编程的方式实现对电力线路的检测，以达到更安全的控制，但这些智能微型断路器均需要配合一些列的设备才能实现其功能，而且对于这些智能微型断路器来说，均需要大型的服务中心进行数据统计，对于实现智能断路器的家庭化，以及小型化普及来说困难重重，而对于家庭用户来说，能够使用移动终端来检查电力线路信息将会更加直观，更加有效。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种带无线通信和计量功能的智能漏电保护器及其控制工序，通过电力线载波进行通信，将家庭用电情况传递给智能网关，并与各分路的智能断路器通过无线进行通信，汇总所有智能断路器的计量数据，实现电力线数据的远程监控。

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：

一种带无线通信和计量功能的智能漏电保护器及其控制工序，智能漏电保护器包括供电电源、单片机、数据存储器、无线通信模块、电压和电流采样部分、拉闸控制部分以及断路器部分，其中数据存储器、无线通信模块和单片机双向连接，电压和电流采样部分、拉闸控制部分和单片机单向连接，断路器部分和拉闸控制部分连接，供电电源用于所有部件的供电。

地址申请/注册工序：地址申请工序，智能断路器只能在上电初始阶段向智能漏电保护器进行地址申请，本工序同时也是注册到智能漏电保护器的过程：

(一) 智能断路器上电(注意由智能漏电保护器上电，断路器本身上电不算)10s内，按下智能短路器的按键2s，智能断路器启动地址申请工序。超出10s后按下断路器按键，则断路器跳闸。

(二) 智能断路器在上电10s内检测到按键被按下，并且持续2s以上后，向智能漏电保护器发送申请地址报文，申请地址报文为645报文，报文如下：

68断路器通信地址68 1F 02 E2 35 CS 16

其中：断路器通信地址为自身当前通信地址，不管是出厂地址还是之前申请的地址；E2 35为申请地址的数据标识。

(三) 智能断路器在收到智能漏电保护器的响应645报文后应作以下判断：控制必须为9F，数据域长度必须为8字节，数据域后六个字节的数据减33后必须与地址域一致。收到的报文举例：

68断路器通信地址68 9F 08 E2 35断路器通信地址+0x33 CS 16

(四) 满足以上3个条件后，智能断路器保存申请到的地址，回复智能漏电保护器确认报文，并控制断路器跳闸，确认报文举例：

68断路器通信地址68 9F 00 CS 16

用电量信息收集工序：用电信息收集工序包含智能断路器对电量的采集记录，智能漏电保护器对电量的收集统计，智能网关对电量的统计、存储。

(一) 智能断路器内含电量计量芯片，智能断路器上电后通过采样对电量进行计量，并记录计量结果，等待智能漏电保护器读取。智能断路器内含存储器，保证电量掉电保存。

(二) 智能漏电保护器从上电开始，每隔15分钟中读取智能断路器的当前电量，存储在存储设备中，并且会将所有断路器的当前电量进行累加作为自身的当前电量存储。智能漏电保护器最多支持存储16个智能断路器的上24小时的电量数据。

(三) 智能网关每天会定时读取智能漏电保护器的电量数据，并保存，若通过手机软件或平板电脑软件等刷新网关数据，网关会立即读取智能漏电保护器存储的电量数据。智能网关会存储所有智能漏电保护器与智能断路器最近24小时的小时冻结，最新1个月的日冻结数据，以及最近12个月的月冻结数据。

用户控制工序：用户通过手机软件或平板电脑软件等对智能断路器进行跳闸操作，手机软件或平板电脑软件将信息传给智能网关，网关将信息加工后通过电力线载波转发给智能漏电保护器，智能漏电保护器对报文进行解析与转发，只有数据正确的报文才会转发给智能断路器，数据错误的报文直接丢弃。智能断路器收到跳闸报文后进行跳闸动作。

本发明的有益效果：

本发明提供了带无线通信和计量功能的智能漏电保护器及其控制工序，。

附图说明

图1为系统结构图；

图2为智能漏电保护器结构框图；

图3为供电电源电路原理图；

图4为单片机(带电能计量)部分电路原理图；

图5为电压和电流采样部分电路原理图；

图6为拉闸控制部分电路原理图；

图7为无线通信模块电路原理图；

图8为数据存储器电路原理图；

图9为断路器的内部结构图；

图10为浪涌保护部分；

图11为软件流程图；

图12为字节传输序列图；

图13为控制码格式图。

具体实施方式

如图1所示，该系统包含了智能断路器、智能漏电保护器、智能网关，终端设备和安装在终端设备上的应用软件，所述终端设备包括平板电脑、手机或PC机，其中智能漏电保护器作为核心部件，对上与智能网关通过电力线载波进行通信，将家庭用电情况传递给智能网关，并能响应智能网关下发的各种命令，对下与各分路的智能断路器通过无线进行通信，汇总并统计所管理的所有智能断路器的计量数据，并能下发命令控制断路器跳闸，另外该智能漏电保护器还具有漏电流检测、过载保护、浪涌保护、控制整个家庭断电等功能。

智能漏电保护器与智能断路器采用无线通信的好处是不需要额外布通信线，安装简单，故障率低，可维护性高，并且无线模块的功耗极低，内部电路的供电容易实现；与智能网关采用载波通信的好处是：不需要额外布通信线，安装简单，故障率低，可维护性高，另外载波通信不会受到铁箱的屏蔽作用，而智能漏电保护器与智能断路器同处一个铁箱，所以可以采用无线通信方式，发挥无线通信的低功耗优势。

如图2所示为智能漏电保护器的结构框图，智能漏电保护器包括供电电源、单片机、数据存储器、无线通信模块、电压和电流采样部分、拉闸控制部分以及断路器部分，其中数据存储器、无线通信模块和单片机双向连接，电压和电流采样部分、拉闸控制部分和单片机单向连接，断路器部分和拉闸控制部分连接，供电电源用于所有部件的供电；

如图3所示，供电电源采用阻容降压方式得到+18V电源，R9是一颗保护电阻，C1是充电电容，VD3是一颗18V的稳压管，VD1是整流二极管，R8是限流电阻，C9是储能电容。

+3.3V由DC/DC降压电路得到，TS1是DC/DC控制芯片，R3和R10是反馈电阻，C38是自举电容，R69是使能电阻，L2是储能电感，VD2是续流二极管，C10是储能电容。

如图4所示的单片机部分，单片机采用的是ESEM16，ESEM16是带电能计量DSP的SOC芯片；集成Cortex-M0内核；三路定时器/计数器，一路硬件看门狗WDT，一路高速异步接收发送器UART，一路多功能模数转换器ADC；512X32(2K×8)Bits数据存储器SRAM，另外集成了9KX32(36KX8)bits程序存储器FLASH。

D5是带电能计量的单片机ESEM16，C13是模拟电源滤波电容，C15和C29是参考电压滤波电容，C16是电源滤波电容，G1是晶体振荡器，C17和C18是晶体负载电容，XS14是调试接口，R66是复位引脚上拉电阻，C33是电源滤波电容。

如图5所示的，电压采样电路由电阻R17和R23分压得到，C11和C19既起到滤波作用，又起到感性负载、容性负载补偿作用。

电流采样由电流互感器T1得到变比之后的小电流，然后流经R13和R24后得到电压信号，从而送给电流采样端采样，R2和C12、R11和C14既起到阻容滤波作用，又起到感性负载、容性负载补偿作用。

如图6所示，拉闸主要通过给电磁线圈通电，产生足够大的吸合力，拉动锁扣装置，使断路器跳闸实现的。

R35是限流电阻，R32是下拉电阻，V6是电流放大三极管，R34是限流电阻，R27是光电隔离可控硅，D3是电磁线圈。

如图7所示，无线采用东软载波自主研发的HW2000无线模块，该模块采用HW2000无线芯片，该芯片使用国际通用的2.4G ISM工作频段，支持GFSK调制方式，具有功耗低，传输性能稳定等特点，广泛应用于无线数据传输和远程控制等领域；无线模块和单片机通过SPI总线进行通信。

如图8所示，数据存储器采用通用的EEPROM，采用I2C方式与单片机通信，存储容量可根据实际情况进行选择。

D6是EEPROM存储芯片，R14和R15是上拉电阻，C28是电源滤波电容。

如图9所示：断路器部分具有过载和短路保护功能，包含安装卡子1、灭弧罩2、接线端子3、连接排4、热脱扣调节螺栓5、嵌入螺母6、电磁脱扣器7、热脱扣器8、锁扣9、第一复位弹簧10，第二复位弹簧11、手柄轴12、手柄13、U型连杆14、脱钩15、盖16、防护罩17、触头18、铆钉19和底座20构成。

过载保护由图9中的热脱扣器8实现，热脱扣器8与被保护电路串联，线路中通过正常电流时，发热元件发热使双金属片弯曲至一定程度，但由于会向周围耗散热量，并达到动态平衡状态，双金属片不再继续弯曲，此时双金属片不会推动自由脱扣机构。若出现过载现象时，线路中电流增大，双金属片将继续弯曲，通过传动机构推动自由脱扣机构释放触头18，触头18在分闸弹簧的作用下分开，切断电路，从而起到过载保护的作用。

短路保护由图9中的电磁脱扣器7实现，电磁脱扣器7与被保护电路串联，线路中通过正常电流时，电磁铁产生的电磁力小于反作用力弹簧的拉力，衔铁不能被电磁铁吸动，断路器正常运行。当线路中出现短路故障时，电流超过正常电流的若干倍，电磁铁产生的电磁力大于反作用力弹簧的作用力，衔铁被电磁铁吸动通过传动机构推动自由脱扣机构释放触头18，触头18在分闸弹簧的作用下分开切断电路起到短路保护作用。

触电灭弧是采用灭弧栅来实现的，灭弧栅是低压断路器(空气开关)中广泛采用的灭弧方法，在空气中电弧在热气流作用下(或电磁力作用下)将电弧拉入灭弧栅内，将长电弧分成多段短电弧，利用近阴极效应原理灭弧。

如图10所示，浪涌保护通过在火线和零线加压敏电阻RV2来实现。

如图11所示为智能漏电保护器的软件流程图：

断路器上电后，进行初始化，然后清除看门狗，进入串口数据接收循环，如有数据发送过来，进行数据格式解析，解析成功后进入数据处理阶段，之后在将数据发送至串口，进入定时任务处理阶段。

其中，断路器和智能漏电器之间通过串口连接，智能断路器与漏电器之间的通信协议为国网标准97/645协议。

a)字节格式

在软件流程中的字节格式中每字节含8位二进制码，传输时加上一个起始位(0)、一个偶校验位(P)和一个停止位(1)共11位。其传输序列如图1。D0是字节的最低有效位，D7是字节的最高有效位。先传低位，后传高位。

字节传输序列如图12所示。

b)帧格式

帧是传送信息的基本单元。帧格式如下表所示：

表1帧格式数据表

帧起始符68H：

标识一帧信息的开始，其值为68H＝01101000B。

地址域A0-A5：

地址域由6个字节构成，每字节2位BCD码。地址长度为12位十进制数，可以为表号、资产号、用户号、设备号等。具体使用可由用户自行决定。当使用的地址码长度不足6字节时，用十六进制AAH补足6字节。低地址位在先，高地址位在后。当地址为999999999999H时，为广播地址。

控制码C：

控制码的格式如图13所示。

D7＝0：由主站发出的命令帧

D7＝1：由从站发出的应答帧

D6＝0：从站正确应答

D6＝1：从站对异常信息的应答

D5＝0：无后续数据帧

D5＝1：有后续数据帧

D4∽D0：请求及应答功能码

00000：保留

00001：读数据

00010：读后续数据

00011：重读数据

00100：写数据

01000：广播校时

01010：写设备地址

01100：更改通信速率

01111：修改密码

10000：最大需量清零

数据长度L：

L为数据域的字节数。读数据时L≤200，写数据时L≤50，L＝0表示无数据域。

数据域DATA：

数据域包括数据标识和数据、密码等，其结构随控制码的功能而改变。传输时发送方按字节进行加33H处理，接收方按字节进行减33H处理。

校验码CS：

从帧起始符开始到校验码之前的所有各字节的模256的和，即各字节二进制算术和，不计超过256的溢出值。

结束符号16H：

标识一帧信息的结束，其值为16H＝00010110B。

智能断路器支持的数据以及数据标识如下：

表2智能断路器支持的数据内容和数据标识

数据内容(读取R/设置W)	数据标识
		正向有功电能量(R)	0x9010
当前电流(R)	0xB621
		当前电压(R)	0xB611
当前功率(R)	0xB630
		功率因数(R)	0xB650
电压频率(R)	0xB670
		当前日期(R/W)	0xC010
当前时间(R/W)	0xC011
		校表(W)	0xCCAA
拉闸(W)	0xC012
		用电信息(R)	0x901F

表3智能断路器定时任务处理表

按键扫描任务	定时扫描并处理按键事件
		指示灯任务	处理指示灯点亮与熄灭任务
用电信息处理任务	电量计量，脉冲常数计算等，电量定时保存任务
		清看门狗任务	清看门狗计时器

智能漏电保护器和智能断路器之间的控制工序包括：地址申请/注册工序、用电量信息收集工序和用户控制工序。

地址申请/注册工序：地址申请工序，智能断路器只能在上电初始阶段向智能漏电保护器进行地址申请，本工序同时也是注册到智能漏电保护器的过程：

(一) 智能断路器上电(注意由智能漏电保护器上电，断路器本身上电不算)10s内，按下智能短路器的按键2s，智能断路器启动地址申请工序。超出10s后按下断路器按键，则断路器跳闸。

(二) 智能断路器在上电10s内检测到按键被按下，并且持续2s以上后，向智能漏电保护器发送申请地址报文，申请地址报文为645报文，报文如下：

68断路器通信地址68 1F 02 E2 35 CS 16

其中：断路器通信地址为自身当前通信地址，不管是出厂地址还是之前申请的地址；E2 35为申请地址的数据标识。

(三) 智能断路器在收到智能漏电保护器的响应645报文后应作以下判断：控制必须为9F，数据域长度必须为8字节，数据域后六个字节的数据减33后必须与地址域一致。收到的报文举例：

68断路器通信地址68 9F 08 E2 35断路器通信地址+0x33 CS 16

(四) 满足以上3个条件后，智能断路器保存申请到的地址，回复智能漏电保护器确认报文，并控制断路器跳闸，确认报文举例：

68断路器通信地址68 9F 00 CS 16

用电量信息收集工序：用电信息收集工序包含智能断路器对电量的采集记录，智能漏电保护器对电量的收集统计，智能网关对电量的统计、存储。

(一) 智能断路器内含电量计量芯片，智能断路器上电后通过采样对电量进行计量，并记录计量结果，等待智能漏电保护器读取。智能断路器内含存储器，保证电量掉电保存。

(二) 智能漏电保护器从上电开始，每隔15分钟中读取智能断路器的当前电量，存储在存储设备中，并且会将所有断路器的当前电量进行累加作为自身的当前电量存储。智能漏电保护器最多支持存储16个智能断路器的上24小时的电量数据。

(三) 智能网关每天会定时读取智能漏电保护器的电量数据，并保存，若通过手机软件或平板电脑软件等刷新网关数据，网关会立即读取智能漏电保护器存储的电量数据。智能网关会存储所有智能漏电保护器与智能断路器最近24小时的小时冻结，最新1个月的日冻结数据，以及最近12个月的月冻结数据。

用户控制工序：用户通过手机软件或平板电脑软件等对智能断路器进行跳闸操作，手机软件或平板电脑软件将信息传给智能网关，网关将信息加工后通过电力线载波转发给智能漏电保护器，智能漏电保护器对报文进行解析与转发，只有数据正确的报文才会转发给智能断路器，数据错误的报文直接丢弃。智能断路器收到跳闸报文后进行跳闸动作。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种带无线通信和计量功能的智能漏电保护器的控制工序，其特征在于：所述智能漏电保护器包括供电电源、单片机、数据存储器、无线通信模块、电压和电流采样部分、拉闸控制部分以及智能断路器部分，其中数据存储器、无线通信模块分别与单片机双向连接，电压和电流采样部分、拉闸控制部分分别与单片机单向连接，智能断路器部分和拉闸控制部分连接，供电电源用于所有部件的供电；所述控制工序包括地址申请注册工序、用电量信息收集工序和用户控制工序；

其步骤包括：

1)地址申请注册工序：地址申请注册工序，智能断路器只能在上电初始阶段向智能漏电保护器进行地址申请，地址申请注册工序同时也是注册到智能漏电保护器的过程；

(一)智能断路器上电10s内，按下智能断路器的按键持续2s，智能断路器启动地址申请工序；超出10s后按下智能断路器按键，则智能断路器跳闸；

(二)智能断路器在上电10s内检测到按键被按下，并且持续2s以上后，向智能漏电保护器发送申请地址报文，申请地址报文为645报文，报文如下：68智能断路器通信地址68 1F02 E2 35 CS 16；其中：智能断路器通信地址为自身当前通信地址，不管是出厂地址还是之前申请的地址；E2 35为申请地址的数据标识；

(三)智能断路器在收到智能漏电保护器的645报文后应作以下判断：控制必须为9F，数据域长度必须为8字节，数据域后六个字节的数据减33后必须与地址域一致；收到的报文：68智能断路器通信地址68 9F 08 E2 35智能断路器通信地址+0x33 CS 16；

(四)智能断路器保存申请到的地址，回复智能漏电保护器确认报文，并控制智能断路器跳闸，确认报文：68智能断路器通信地址68 9F 00 CS 16；

2)用电量信息收集工序：用电信息收集工序包含智能断路器对电量的采集记录，智能漏电保护器对电量的收集统计，智能网关对电量的统计、存储；

(一)智能断路器内含电量计量芯片，智能断路器上电后通过采样对电量进行计量，并记录计量结果，等待智能漏电保护器读取；智能断路器内含存储器，保证电量掉电保存；

(二)智能漏电保护器从上电开始，每隔15分钟读取智能断路器的当前电量，存储在数据存储器中，并且会将所有智能断路器的当前电量进行累加作为自身的当前电量存储；智能漏电保护器最多支持存储16个智能断路器上的24小时的电量数据；

(三)智能网关每天会定时读取智能漏电保护器的电量数据，并保存，若通过手机软件或平板电脑软件刷新智能网关数据，智能网关会立即读取智能漏电保护器存储的电量数据；智能网关会存储所有智能漏电保护器与智能断路器最近24小时的小时冻结数据，最新1个月的日冻结数据，以及最近12个月的月冻结数据；

3)用户控制工序：用户通过手机软件或平板电脑软件对智能断路器进行跳闸操作，手机软件或平板电脑软件将信息传给智能网关，智能网关将信息加工后通过电力线载波转发给智能漏电保护器，智能漏电保护器对报文进行解析与转发，只有数据正确的报文才会转发给智能断路器，数据错误的报文直接丢弃；智能断路器收到跳闸报文后进行跳闸动作。